氮化鎵技術(shù)在電力電子應(yīng)用中的理解

逍遙設(shè)計自動化

氮化鎵技術(shù)簡介
氮化鎵(GaN)技術(shù)在電力電子領(lǐng)域帶來革命性進(jìn)步，相比傳統(tǒng)硅基器件具有顯著優(yōu)勢。本文將探討GaN技術(shù)的基本特性、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用及性能特點[1]。
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材料特性與構(gòu)型
GaN同時具有比硅和碳化硅(SiC)更高的載流子遷移率和臨界電場。采用相對經(jīng)濟(jì)的GaN-on-Si晶圓使GaN在中高端應(yīng)用中更具競爭力，特別是在成本敏感的場景下。

6 p4 D# N( Y5 a+ ^圖1展示了不同材料和技術(shù)的特定Ron與擊穿電壓限值的關(guān)系，顯示了GaN相比硅和SiC的卓越性能特征。

GaN器件的橫向構(gòu)型具有以下優(yōu)勢：
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可實現(xiàn)傳感、保護(hù)和驅(qū)動線路的單片集成

所有端子易于訪問

支持半橋器件集成

可與硅器件簡單混合集成

封裝更簡單且成本更低
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- w2 x& ]& f1 q* M( {  U/ N器件結(jié)構(gòu)與運行原理

圖2對比展示了摻雜硅晶體管與GaN HEMT的截面結(jié)構(gòu)，顯示了兩種技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)差異。

6 ]  r: U/ i$ p6 W4 u, ~對于任何GaN HEMT應(yīng)用，驅(qū)動線路的合理設(shè)計和優(yōu)化對構(gòu)建高效可靠的系統(tǒng)具有根本作用。驅(qū)動線路需要為開關(guān)柵極提供適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏鱽砜刂崎_關(guān)過程。
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驅(qū)動線路與功率集成

# n: Q2 i* @7 V# ^: c2 ?9 Y# |圖3展示了肖特基柵GaN HEMT(上)和GIT GaN HEMT(下)的驅(qū)動線路，顯示了不同類型所需的配置。
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$ A; r1 u. I( S& z0 v0 EGaN功率集成電路的出現(xiàn)代表技術(shù)的重大進(jìn)步。集成實現(xiàn)了關(guān)斷時幾乎零損耗，因為關(guān)斷柵極驅(qū)動回路基本沒有阻抗。

圖4顯示了新型高頻有源鉗位拓?fù)浜虶aN功率集成電路如何實現(xiàn)無源元件縮小和整體功率密度提高3倍。

/ r4 V+ X% g. x! F6 x5 M* j動態(tài)特性表征的挑戰(zhàn)
GaN功率器件的動態(tài)特性測量面臨獨特挑戰(zhàn)，因為電壓轉(zhuǎn)換(dv/dt)和電流轉(zhuǎn)換(di/dt)極快。這些快速轉(zhuǎn)換與測試線路中的寄生元件相互作用，可能產(chǎn)生過高的電壓或電流。

圖5展示了GaN FET開關(guān)測試中的振蕩和振鈴結(jié)果，說明了動態(tài)表征中的挑戰(zhàn)。

, A6 Z0 L" P) L7 r& E% F: h% Y垂直GaN技術(shù)
垂直GaN技術(shù)的發(fā)展代表另一個重要方向。垂直GaN能夠?qū)崿F(xiàn)700-900V以上阻斷電壓的實用擴(kuò)展，因為阻斷電壓隨外延特性而不是芯片面積變化。
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圖6展示了基于GaN-on-GaN低缺陷密度的垂直導(dǎo)電GaN晶體管，顯示了垂直器件的基本結(jié)構(gòu)。

% [, A5 w5 W$ F! Q* T8 e, k可靠性與測試
" K; x, J- [' n) S- `  D# P: i可靠性是GaN技術(shù)最關(guān)鍵的方面之一。制造商采用全面的測試程序來確保器件在各種工作條件下的可靠性。
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圖7展示了英飛凌的四支柱GaN器件認(rèn)證方法，顯示了確保器件可靠性的綜合方法。

應(yīng)用與發(fā)展方向
  j: ]& @& D2 c隨著GaN技術(shù)的不斷成熟，已在數(shù)據(jù)中心、電動汽車和工業(yè)電機(jī)驅(qū)動等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。這種技術(shù)在保持高效率的同時能夠在更高頻率下工作，使其在新一代電力電子應(yīng)用中具有特殊價值。
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圖8展示了GaN半橋功率集成電路示意圖和電機(jī)逆變器實例及其良好的散熱性能，展示了在電機(jī)控制系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。
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結(jié)論
GaN技術(shù)在電力電子領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越的性能特征，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)硅基器件。盡管在動態(tài)表征和可靠性測試等方面仍存在挑戰(zhàn)，但橫向和垂直GaN技術(shù)的持續(xù)發(fā)展正在推動高性能電力電子應(yīng)用的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)
7 C: J& c& W( [0 I* t& D: `0 j[1] M. Di Paolo Emilio et al., "GaN Technology," in GaN Technology: Materials, Manufacturing, Devices and Design for Power Conversion. Cham, Switzerland: Springer Nature Switzerland AG, 2024, ch. 4, pp. 49-106. doi: 10.1007/978-3-031-63238-9_4

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